多層排水瀝青路面交通荷載適用性研究

王曉威,胡馨予,陳 博

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；3.咸陽(yáng)市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，陜西 咸陽(yáng) 712000)

0 引言

多孔瀝青混合料(PAC)的空隙率為18%～22%，用于道路可消除水漂、水霧和路表徑流，同時(shí)具有提高行車安全和降低行車噪音的作用[1-3]。近年來，國(guó)家提出“海綿城市”的建設(shè)理念，以實(shí)現(xiàn)城市雨水的“滲、滯、蓄、凈、用、排”，道路鋪裝面積占城市總鋪裝面積的比例可達(dá)29%～45%[4]，因此，建設(shè)海綿型道路是實(shí)現(xiàn)“海綿城市”的重要途徑，將PAC用于海綿型道路，能夠?qū)崿F(xiàn)雨水的滲透和控制。瀝青路面面層一般由2～3層組成，若上、中面層或整個(gè)面層均采用PAC，則稱之為多層排水瀝青路面。僅上面層采用PAC的單層排水瀝青路面在我國(guó)應(yīng)用最為廣泛，具有較好的功能和路用性能[5-6]。然而，由于單層排水瀝青路面中PAC的厚度較小，無法滿足較大降雨強(qiáng)度下海綿型道路的要求。因此，建設(shè)多層排水瀝青路面具有廣闊的應(yīng)用前景。

1987年，荷蘭首次提出了雙層排水瀝青路面，上層采用2.0～2.5 cm的小粒徑PAC，下層采用4～5 cm的大粒徑PAC，并提出了Hot-on-Hot的施工方法，可大幅提高路面的降噪和抗堵塞的能力[7]。解金龍等[8]對(duì)比了PAC-10、PAC-13單層排水瀝青路面和PAC-10+PAC-13雙層排水瀝青路面的滲透性能和降噪性能，雙層排水瀝青路面均表現(xiàn)出更優(yōu)異的性能。為了解決城市特長(zhǎng)隧道內(nèi)行車噪音高的問題，沈劍等[9]設(shè)計(jì)了PAC-13+PAC-20的雙層排水瀝青路面。荷蘭夏季溫度低，超載少，且交通量小，在排水路面設(shè)計(jì)中不考慮高溫承載力的要求。然而，我國(guó)夏季高溫和超載現(xiàn)象均遠(yuǎn)遠(yuǎn)比歐美國(guó)家嚴(yán)重，由于PAC空隙率大、集料間接觸面積小，其強(qiáng)度和高溫穩(wěn)定性弱于傳統(tǒng)密級(jí)配瀝青混合料[10]，因此，在多層排水瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，除了考慮路面結(jié)構(gòu)的功能性，路面結(jié)構(gòu)的高溫承載力對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐久性具有非常重要的影響。

對(duì)于多層排水瀝青路面結(jié)構(gòu)高溫承載力評(píng)價(jià)，現(xiàn)行規(guī)范《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2017)以瀝青混合料層永久變形量為高溫承載力的控制指標(biāo)，可計(jì)算得到不同交通等級(jí)下的結(jié)構(gòu)層厚度。唐國(guó)奇[11]對(duì)3.5 cm PAC-10+6.5 cm PAC-16的雙層排水瀝青路面進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，滿足規(guī)范的設(shè)計(jì)要求。此外，通過評(píng)價(jià)PAC的高溫性能可用于表征路面結(jié)構(gòu)的高溫承載力[12]，然而，多層排水瀝青路面由多層PAC組成，單層PAC的高溫性能并不能與路面結(jié)構(gòu)的高溫承載力建立直接的聯(lián)系，多層排水瀝青路面的高溫承載力及交通荷載下的適用性尚不清楚。本文設(shè)計(jì)了單層排水瀝青路面、雙層排水瀝青路面及三層排水瀝青路面，采用理論計(jì)算對(duì)多層排水瀝青路面進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，并采用局部三軸多級(jí)加載試驗(yàn)，評(píng)價(jià)多層排水瀝青路面的高溫承載力，得到多層排水瀝青路面在不同交通荷載等級(jí)下的適用性。

1 多層排水瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 路面結(jié)構(gòu)類型

我國(guó)典型高等級(jí)瀝青路面結(jié)構(gòu)一般是4 cm上面層+6 cm中面層+8 cm下面層+36 cm水泥穩(wěn)定碎石(CTB)基層+20 cm低劑量水泥穩(wěn)定碎石(或二灰土)底基層，面層采用傳統(tǒng)密級(jí)配瀝青混合料，如圖1(a)所示。采用PAC替代不同結(jié)構(gòu)層的密級(jí)配瀝青混合料，從而形成單層、雙層和三層排水瀝青路面，分別如圖1(b)～圖1(d)所示。圖1中，AC-13、SUP-20、SUP-25分別為最大公稱粒徑為13.2、19、26.5 mm的密級(jí)配瀝青混合料，空隙率分別為3.0%、2.9%、3.0%，最佳油石比分別為4.9%、4.1%、3.8%。PAC-13、PAC-20、LAPM-25分別為最大公稱粒徑為13.2、19、26.5 mm的PAC，空隙率分別為20.4%、19.3%和18.2%，最佳油石比分別為4.8%、4.5%和4.0%，幾種瀝青混合料的級(jí)配如圖2所示。

圖1 路面結(jié)構(gòu)

圖2 瀝青混合料的級(jí)配組成

1.2 交通等級(jí)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)軸載(BZZ-100 kN)的當(dāng)量軸載累計(jì)作用次數(shù)，將交通等級(jí)劃分為極重交通、特重交通、重交通、中等交通、輕交通，本文選定的標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)

1.3 設(shè)計(jì)參數(shù)

路面結(jié)構(gòu)的材料設(shè)計(jì)參數(shù)包括動(dòng)態(tài)壓縮模量、泊松比、無機(jī)結(jié)合料類彎拉強(qiáng)度、車轍試驗(yàn)永久變形量，以及路基回彈模量等。根據(jù)規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，獲得路面結(jié)構(gòu)的材料設(shè)計(jì)參數(shù)如表2、表3所示。

表2 路面結(jié)構(gòu)的材料設(shè)計(jì)參數(shù)

表3 路基回彈模量

1.4 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

以瀝青混合料疲勞開裂、無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞開裂、瀝青混合料層永久變形、路基頂面豎向壓應(yīng)變以及季節(jié)性凍土地區(qū)的路面低溫開裂為設(shè)計(jì)驗(yàn)算指標(biāo)，對(duì)圖中的4種路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算，以水泥穩(wěn)定碎石基層為設(shè)計(jì)層，計(jì)算滿足各驗(yàn)算設(shè)計(jì)指標(biāo)的最小基層厚度，如表4所示。從表4中可以看出，4種路面結(jié)構(gòu)均滿足不同交通等級(jí)下的最小基層厚度要求，說明4種路面結(jié)構(gòu)均可用于不同交通等級(jí)的道路。密級(jí)配瀝青路面和單層排水瀝青路面能夠滿足極重或特重交通下的要求，這已得到驗(yàn)證[5]。然而，雙層排水瀝青路面和三層排水瀝青路面應(yīng)用較少，缺乏相應(yīng)的結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)和驗(yàn)證。因此，本文進(jìn)一步采用室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)4種路面結(jié)構(gòu)的高溫承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表4 不同交通等級(jí)下的最小計(jì)算基層厚度

2 局部三軸多級(jí)加載試驗(yàn)

瀝青混合料高溫性能評(píng)價(jià)方法中，試件的圍壓、溫度分布和加載形式?jīng)Q定著試驗(yàn)結(jié)果是否和實(shí)際狀態(tài)保持一致，并最終影響評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性。然而，目前的試驗(yàn)方法采用恒定的圍壓、均勻的溫度分布、單一荷載水平和單層的試件，顯然與路面實(shí)際的狀況不相符[13]。GU等[14]提出了局部三軸試驗(yàn)，采用直徑為80.6 mm的壓頭作用于直徑為150 mm的試件，并采用隔溫涂料和巖棉管包裹試件的側(cè)面和底面，可模擬路面結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)下的溫度場(chǎng)和圍壓。然而，局部三軸試驗(yàn)采用的是單一應(yīng)力水平，路面實(shí)際荷載是多應(yīng)力組合的軸載作用。為了更進(jìn)一步模擬路面的實(shí)際狀態(tài)，JIANG等[15]在局部三軸試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了局部三軸多級(jí)加載試驗(yàn)，施加荷載與現(xiàn)場(chǎng)車輛荷載大小和組成比例保持一致，實(shí)現(xiàn)了實(shí)際路面溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和圍壓的模擬。本文采用局部三軸多級(jí)加載試驗(yàn)，評(píng)價(jià)單層、雙層和三層排水瀝青路面的高溫性能。

2.1 試件的制備

本文采用的試件是與實(shí)際路面結(jié)構(gòu)面層相同的全厚式面層試件，并與圖1中的4種路面的面層完全相同，包括單層、雙層和三層排水瀝青面層結(jié)構(gòu)，密級(jí)配瀝青面層結(jié)構(gòu)作為對(duì)比試件，其組成如表5所示。采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀分別成型不同高度的上面層、中面層和下面層試件，直徑為150 mm。面層之間采用改性乳化瀝青作為黏結(jié)層，密級(jí)配面層之間的改性乳化瀝青用量為0.5 kg/m2，密級(jí)配瀝青面層與PAC，以及PAC之間的改性乳化瀝青用量為0.8 kg/m2。上、中、下面層黏結(jié)在一起后，施加100 N的靜荷載持續(xù)5 s，使3個(gè)面層形成一個(gè)整體，如圖3(a)所示。然后將試件放入30 ℃的恒溫箱中保溫5 h，提高層間的黏結(jié)性，如圖3(b)所示。實(shí)際路面僅由路表吸收熱量，為模擬實(shí)際路面結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)，本文采用導(dǎo)熱系數(shù)為0.03 W/m·K的隔溫涂料包裹試件的側(cè)面和底面，如圖3(c)所示。待隔溫涂料完全風(fēng)干后,在試件外圍包裹一層巖棉管,增強(qiáng)隔溫效果,如圖3(d)所示。

表5 全厚式面層結(jié)構(gòu)組成

2.2 試件的溫度場(chǎng)

本文選擇對(duì)三層排水瀝青面層結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證，在試件表面下2、4、7、10、14 cm處鉆孔，并在試件中心處埋設(shè)溫度傳感器，如圖4(a)所示。采用溫度記錄儀自動(dòng)采集不同深度處的溫度，采集間隔為5 min。對(duì)比包裹隔溫材料的試件和沒有隔溫措施的試件的溫度場(chǎng)，分別將兩個(gè)試件同時(shí)置于60 ℃的恒溫箱中，得到試件內(nèi)部不同深度處的溫度隨時(shí)間的變化過程如圖4(b)和圖4(c)所示。從圖4可以看出，沒有采用隔溫措施的試件內(nèi)部很快達(dá)到均勻的溫度分布，包裹隔溫材料的試件不同高度處的溫度差異明顯，240 min時(shí)，試件2 cm處和14 cm深度處的溫差為4.2 ℃。兩個(gè)試件在14 cm深度處的溫差達(dá)到11.6 ℃，說明采用隔溫材料使試件僅從表面吸收熱量，在試件內(nèi)部形成了溫度梯度，與路面結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)更加一致。

(a)傳感器的分布

2.3 加載方式

實(shí)際路面經(jīng)受包含重載車輛在內(nèi)的多種交通荷載，圖5(a)為某條高速的軸載組成，車輛荷載主要集中在20～160 kN(2～16 t)，雖然20～60 kN(2～6 t)荷載的比例很大，由于其荷載小，對(duì)路面的損傷可以忽略不計(jì)，因此本文主要考慮60～160 kN的荷載對(duì)路面的影響。將60～160 kN的荷載劃分為60～80 kN、80～100 kN、100～120 kN和120～160 kN這4個(gè)區(qū)間，并取其中值(70、90、110、140 kN)作為代表值。根據(jù)式(1)計(jì)算得到70、90、110、140 kN對(duì)應(yīng)的荷載應(yīng)力分別為555、654、745、871 kPa。

圖5 加載方式

(1)

式中：σi為輪胎接地應(yīng)力，kPa；qi為軸載，kN；σs為標(biāo)準(zhǔn)輪胎接地應(yīng)力，取值700 kPa；qs為標(biāo)準(zhǔn)軸載，取值100 kN。

由圖5(b)可以得到，555、654、745、871 kPa在荷載作用次數(shù)中所占的比例分別為28.4%、40.0%、18.2%和13.4%。為了模擬路面受到的實(shí)際車輛荷載，室內(nèi)試驗(yàn)一個(gè)加載循環(huán)中各應(yīng)力作用次數(shù)所占的比例應(yīng)與實(shí)際相同，以1 000次為一個(gè)加載循環(huán)，則每一個(gè)加載循環(huán)中555、654、745、871 kPa的作用次數(shù)分別為284次、400次、182次和134次，加載方式如圖5(b)所示。

2.4 試驗(yàn)條件

局部三軸多級(jí)加載試驗(yàn)采用UTM-25施加動(dòng)態(tài)荷載，試驗(yàn)溫度為60 ℃，荷載周期為1 s(加載0.1 s，卸載0.9 s)，荷載峰值分別為555、654、745、871 kPa。為了模擬實(shí)際的路面結(jié)構(gòu)，本文在試件下放置一個(gè)水泥穩(wěn)定碎石試件，高度為200 mm，以模擬基層對(duì)面層結(jié)構(gòu)的影響，如圖6所示。

圖6 局部三軸多級(jí)加載試驗(yàn)

3 結(jié)果

3.1 不同路面結(jié)構(gòu)的高溫性能

根據(jù)ZHOU等[16]提出的蠕變曲線三階段模型，采用流值(MFN)評(píng)價(jià)多層排水瀝青路面的高溫性能，MFN越大，高溫承載力越大。圖7(a)為不同面層結(jié)構(gòu)的累計(jì)永久變形隨加載次數(shù)的變化曲線，計(jì)算得到不同路面結(jié)構(gòu)的MFN如圖7(b)所示。密級(jí)配瀝青面層在荷載作用下表現(xiàn)出最好的高溫承載力，密級(jí)配瀝青路面、單層、雙層和三層排水瀝青面層的MFN分別為19 530、15 805、8 455和6 630。由于PAC的強(qiáng)度弱于密級(jí)配瀝青混合料，隨著多層排水瀝青路面中PAC厚度的增加，路面結(jié)構(gòu)的高溫承載力逐漸減小。相比于密級(jí)配路面，單層、雙層和三層排水瀝青路面的MFN分布減小了19.1%、56.7%和66.0%。理論計(jì)算中，各路面結(jié)構(gòu)均滿足不同交通等級(jí)下的性能要求，但從室內(nèi)試驗(yàn)的結(jié)果來看，雙層和三層排水瀝青面層的高溫承載力卻有大幅度的降低。

(a)累計(jì)永久變形曲線

3.2 不同路面結(jié)構(gòu)的交通荷載適用性

局部三軸多級(jí)加載試驗(yàn)?zāi)軌蚝芎玫啬M路面的實(shí)際服役條件，從而能夠較真實(shí)地評(píng)價(jià)面層結(jié)構(gòu)的高溫承載能力。實(shí)踐證明，與本文密級(jí)配瀝青路面結(jié)構(gòu)相同的某條高速于2001年建成通車，2011年由于車轍和裂縫嚴(yán)重而銑刨重鋪。截止到2011年底，該條高速經(jīng)受的標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)作用次數(shù)為3 038.2萬次，屬于特重交通等級(jí)。本文以密級(jí)配瀝青路面的交通荷載適用性為參考，根據(jù)局部三軸多級(jí)加載試驗(yàn)的結(jié)果確定排水瀝青路面的交通適用性，根據(jù)式(2)預(yù)測(cè)多層排水瀝青路面可承受的標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)作用次數(shù)。

(2)

式中：N為被預(yù)測(cè)面層結(jié)構(gòu)在10 a內(nèi)可承受的標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)作用次數(shù)；N′為密級(jí)配瀝青路面經(jīng)受的標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)作用次數(shù)，取值為3.038 2×107次；MFN為被預(yù)測(cè)面層結(jié)構(gòu)的流值；MFN′為密級(jí)配瀝青面層結(jié)構(gòu)的流值。

計(jì)算得到單層、雙層和三層排水瀝青路面在10 a內(nèi)可承受的標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)作用次數(shù)如圖8所示。單層、雙層和三層排水瀝青路面在10 a內(nèi)可承受的標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)作用次數(shù)分別為2.457 9×107次、1.315 5×107次和1.033×107次，說明單層排水瀝青面層可用于特重交通道路，雙層和三層排水瀝青面層可用于重交通道路。實(shí)踐表明，單層排水瀝青路面在特重交通等級(jí)下表現(xiàn)出良好的路用性能，表明預(yù)測(cè)結(jié)果具有一定的可靠性。然而，目前國(guó)內(nèi)缺乏雙層和三層排水瀝青路面的實(shí)際工程應(yīng)用和長(zhǎng)期性能觀測(cè)，需要進(jìn)一步開展實(shí)際工程對(duì)雙層和三層排水瀝青面層的結(jié)構(gòu)承載能力和交通適用性進(jìn)行驗(yàn)證。

4 結(jié)論

a.本文分別從理論計(jì)算和室內(nèi)試驗(yàn)評(píng)價(jià)了多層排水瀝青面層結(jié)構(gòu)的交通適用性和承載力，基于規(guī)范的設(shè)計(jì)指標(biāo)，對(duì)典型密級(jí)配瀝青路面結(jié)構(gòu)、單層、雙層及三層排水瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果表明：?jiǎn)螌印㈦p層和三層排水瀝青路面可用于任何交通等級(jí)下的道路。

b.通過局部三軸多級(jí)加載試驗(yàn)，以最接近實(shí)際路面狀態(tài)的試驗(yàn)條件評(píng)價(jià)不同路面結(jié)構(gòu)的高溫承載能力，試驗(yàn)結(jié)果表明密級(jí)配瀝青面層結(jié)構(gòu)具有最好的高溫承載力，排水瀝青面層隨著PAC層厚度的增加，路面結(jié)構(gòu)的高溫承載力逐漸降低。

c.基于本文的試驗(yàn)結(jié)果，單層排水瀝青面層可用于特重交通道路，雙層和三層排水瀝青路面可用于重交通及以下道路，為多層排水瀝青路面的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了參考依據(jù)。